線粒體、溶酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等多種細胞器組成的細胞內(nèi)膜系統(tǒng)，高效支撐了機體的正常生理活動。細胞中獨特的核酸、蛋白、代謝物質(zhì)等生物分子組分支撐著各細胞器的獨特生化反應(yīng)及生理功能。人類基因組所轉(zhuǎn)錄的總RNA，非編碼RNA所占比例高達98%，其在細胞中廣泛存在功能大量未知堪稱生命的“暗物質(zhì)”。

如果把細胞比作浩瀚宇宙，那么細胞器就是宇宙星空中的繁星點點。如果要解開細胞器在重要細胞活動規(guī)律中的深邃奧秘，就需要深入解析細胞器的組分構(gòu)成及其作用模式；其中，生命“暗物質(zhì)”長非編碼核糖核酸（LncRNA, Long non-coding RNA），對細胞穩(wěn)態(tài)和疾病發(fā)生發(fā)揮重要的調(diào)控作用，其作為細胞器組分的分布規(guī)律并參與細胞調(diào)控的研究尚少。

近日，浙江大學生命科學學院林愛福研究員課題組，通過創(chuàng)建細胞器免疫親和純化體系，繪制了細胞器LncRNA圖譜，并從中揭示了線粒體細胞器LncRNA在幫助細胞應(yīng)對能源匱乏條件，介導檸檬酸循環(huán)（TCA）代謝區(qū)室解離中的重要調(diào)控作用，為研究人類疾病發(fā)生機理研究提供了嶄新的視角。

這項工作進展近日刊發(fā)在國際知名期刊《自然·代謝》（Nature Metabolism），論文第一作者為浙江大學生命科學學院博士研究生桑凌杰、楊作臻及中山大學腫瘤防治中心鞠懷強副研究員。浙江大學生命科學學院林愛福研究員為該論文的通訊作者。

探明微觀宇宙星體坐標圖的“顯微”體系

為什么多年來，一直難以系統(tǒng)地對各類LncRNA清晰定位，這是因為傳統(tǒng)的生物學通過密度梯度離心等方法進行組分分離分辨率有限。由于各有膜細胞器及其他無膜細胞器等組分的沉降系數(shù)范圍交疊，易產(chǎn)生不同細胞器組分間互相干擾，難以達到特定細胞器RNA組分的精確檢測分辨率。

探索宇宙星體奧秘，需要測繪和把握天體系統(tǒng)的精準分布，再逐級鎖定目標對其組成表征等進行研判。

如何探明星體的精確坐標定位？林愛福研究團隊另辟蹊徑，開發(fā)了基于免疫親和純化的細胞器純化方案，將抗體免疫親和純化蛋白的方法，應(yīng)用到純化細胞器，通過抗體特異性抓取細胞器表面標志蛋白，在細胞勻漿液中將完整細胞器連帶提取。將基于該免疫親和純化方案提取的各精準細胞器進行RNA提取及高通量RNA測序分析，林愛福研究團隊繪制了細胞器LncRNA圖譜，發(fā)現(xiàn)細胞器LncRNA約占總的5.2%，并揭示了其潛在參與所在細胞器相關(guān)功能的調(diào)控（圖1）。

這個圖譜為細胞器定位LncRNA的鑒定及研究提供了重要的線索及資源?！斑@就好像我們解密宇宙仰望星空，先把各類星座坐標分類，然后逐級聚焦，進一步對感興趣的星體進行深入探索。”桑凌杰介紹。

浙江大學求是特聘教授、細胞器生物學專家劉偉教授評價道，這項工作提供了細胞器RNA系統(tǒng)鑒定的新技術(shù)，有效規(guī)避了細胞器間交叉污染及無膜亞細胞結(jié)構(gòu)的串擾，充分保留了細胞器內(nèi)部及表面的原生狀態(tài)，對未來細胞器RNA研究提供了嶄新視角。

線粒體星體里的奇妙世界

線粒體作為細胞的能量代謝中心，是細胞生長代謝所需能源的“發(fā)電廠”。而線粒體中的檸檬酸循環(huán)是其中的重要發(fā)電機組。過去科學家們便意認識到檸檬酸循環(huán)由一個個節(jié)點組成，檸檬酸循環(huán)各產(chǎn)物從上游依次傳遞到下游，代謝物質(zhì)在各個反應(yīng)節(jié)點的快速穿梭，伴隨著產(chǎn)生大量NADH等能源物質(zhì)。然而檸檬酸循環(huán)動態(tài)調(diào)控的分子機理尚待精確解析。

此次林愛福研究團隊發(fā)現(xiàn)，線粒體中檸檬酸循環(huán)第一步代謝酶檸檬酸合酶（CS）與最后一步代謝酶蘋果酸脫氫酶（MDH2）像項鏈一樣扣在一起，CS與MHD2靠攏聚集形成代謝區(qū)室，促進了檸檬酸循環(huán)的可持續(xù)進行。

而線粒體LncRNAGAS5就像自然造物之“手”，在細胞面對能量物質(zhì)匱乏時，進入并富集于線粒體，緩緩打開了代謝循環(huán)節(jié)點MDH2-CS的扣環(huán)，繼而抑制了線粒體的“發(fā)電”功能。（圖2）?！熬€粒體GAS5傳遞了細胞養(yǎng)料匱乏的信號，它的功能就像一個剎車，及時制止了無序的燃料發(fā)電過程?！鄙Ａ杞苷f。

新的腫瘤報警器

腫瘤是威脅人類生命健康的重大疾病之一，腫瘤細胞的惡性增殖需要大量的生物物質(zhì)能量供給，因此代謝重排是腫瘤進展的重要驅(qū)動因子。線粒體代謝為細胞提供了大量生物合成所需的碳架及能量，對腫瘤發(fā)生發(fā)展具有重要作用。因此，對腫瘤中線粒體代謝關(guān)鍵節(jié)點的研究將為腫瘤的診斷治療提供新的靶點和策略。

通過腫瘤細胞實驗、體內(nèi)移植瘤實驗、臨床大樣本分析，林愛福研究團隊發(fā)現(xiàn)GAS5在乳腺癌組織中特異性低表達，而線粒體相關(guān)節(jié)點代謝酶在腫瘤組織中則特異性高表達。這印證了線粒體“發(fā)電廠”對腫瘤增殖的重要作用及GAS5的抑癌角色。

過表達GAS5顯著抑制腫瘤中線粒體能量代謝節(jié)點的緊密“環(huán)扣”及腫瘤增殖，證實了線粒體TCA循環(huán)對腫瘤發(fā)生發(fā)展的重要支持作用。楊作臻介紹：“針對GAS5或可開發(fā)成為腫瘤的警報器，指示腫瘤的發(fā)生發(fā)展，為腫瘤臨床診斷提供了新的潛在分子靶標?！?/span>

該研究得到國家自然科學基金委、浙江大學、浙江大學癌癥研究院等各項目的大力支持。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42255-020-00325-z

（文 柯溢能/圖片由受訪人提供）